Hatur nuhun pikeun ngadatangan Nature.com.Anjeun nganggo versi browser kalayan dukungan CSS kawates.Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun yén anjeun nganggo browser anu diropéa (atanapi nganonaktipkeun Mode Kasaluyuan dina Internet Explorer).Sajaba ti éta, pikeun mastikeun rojongan lumangsung, urang némbongkeun situs tanpa gaya na JavaScript.
Nampilkeun carousel tilu slide sakaligus.Pake tombol Saméméhna jeung Salajengna pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu, atawa make tombol geseran di ahir pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu.
Dina ulikan ieu, hidrodinamika flokulasi dievaluasi ku pamariksaan ékspérimén sareng numerik tina médan laju aliran turbulén dina flokulator paddle skala laboratorium.Aliran turbulén anu ngamajukeun agrégasi partikel atawa pemecahan floc rumit sarta dianggap tur dibandingkeun dina makalah ieu ngagunakeun dua model turbulensi, nyaéta SST k-ω jeung IDDES.Hasilna nunjukeun yen IDDES nyadiakeun pamutahiran pisan leutik leuwih SST k-ω, nu cukup pikeun akurat simulate aliran dina flocculator ngawelah.Skor fit dipaké pikeun nalungtik konvergénsi hasil PIV jeung CFD, sarta pikeun ngabandingkeun hasil model turbulensi CFD dipaké.Panaliti ogé museurkeun kana ngitung faktor slip k, nyaéta 0,18 dina kecepatan rendah 3 sareng 4 rpm dibandingkeun sareng nilai has biasa 0,25.Turunna k tina 0,25 ka 0,18 ningkatkeun kakuatan anu dikirimkeun ka cairan sakitar 27-30% sareng ningkatkeun gradién laju (G) sakitar 14%.Ieu ngandung harti yén pergaulan leuwih intensif kahontal ti ekspektasi, ku kituna kurang énergi dikonsumsi, sarta ku kituna konsumsi énergi dina unit flocculation tina tutuwuhan perlakuan cai nginum bisa jadi leuwih handap.
Dina purifikasi cai, tambahan koagulan destabilizes partikel koloid leutik jeung pangotor, nu lajeng ngagabungkeun pikeun ngabentuk flocculation dina tahap flocculation.Flakes mangrupakeun agrégat fraktal kabeungkeut sacara bébas, nu lajeng dipiceun ku settling.Sipat partikel sareng kaayaan campuran cair nangtukeun efisiensi flokulasi sareng prosés perlakuan.Flokulasi merlukeun agitasi slow pikeun periode waktu relatif pondok tur loba énergi pikeun agitate volume badag cai1.
Salila flokulasi, hidrodinamika sakabéh sistem jeung kimia interaksi koagulan-partikel nangtukeun laju di mana distribusi ukuran partikel stasioner kahontal2.Nalika partikel-partikel tabrakan, éta silih leket3.Oyegbile, Ay4 ngalaporkeun yén tabrakan gumantung kana mékanisme angkutan flocculation of difusi Brownian, geser cairan sarta settling diferensial.Nalika flakes tabrakan, aranjeunna tumuwuh sarta ngahontal wates ukuran nu tangtu, nu bisa ngakibatkeun pegatna, sabab flakes teu bisa tahan gaya gaya hidrodinamika5.Sababaraha serpihan anu rusak ieu ngagabung deui janten anu langkung alit atanapi ukuran anu sami6.Sanajan kitu, flakes kuat bisa nolak gaya ieu sarta ngajaga ukuran maranéhanana sarta malah tumuwuh7.Yukselen sareng Gregory8 ngalaporkeun ngeunaan panilitian anu aya hubunganana sareng karusakan serpihan sareng kamampuan regenerasi, nunjukkeun yén irreversibilitas terbatas.Bridgeman, Jefferson9 ngagunakeun CFD pikeun ngira-ngira pangaruh lokal tina aliran rata-rata sareng karusuhan dina formasi floc sareng fragméntasi ngaliwatan gradién laju lokal.Dina bak anu dilengkepan ku wilah rotor, perlu pikeun ngarobih laju agrégat tabrakan sareng partikel sanés nalika aranjeunna cukup destabilisasi dina fase koagulasi.Kalayan ngagunakeun CFD sareng laju rotasi anu langkung handap sakitar 15 rpm, Vadasarukkai sareng Gagnon11 tiasa ngahontal nilai G pikeun flokulasi kalayan bilah kerucut, ku kituna ngaminimalkeun konsumsi kakuatan pikeun agitation.Nanging, operasi dina nilai G anu langkung luhur tiasa nyababkeun flokulasi.Aranjeunna nalungtik pangaruh speed campur dina nangtukeun gradién laju rata hiji flocculator ngawelah pilot.Aranjeunna muterkeun dina laju leuwih ti 5 rpm.
Korpijärvi, Ahlstedt12 dipaké opat model turbulensi béda pikeun diajar widang aliran dina bangku test tank.Aranjeunna ngukur médan aliran ku laser Doppler anemometer sareng PIV sareng ngabandingkeun hasil anu diitung sareng hasil anu diukur.de Oliveira jeung Donadel13 geus ngajukeun métode alternatif pikeun estimasi gradién laju tina sipat hidrodinamika maké CFD.Métode anu diusulkeun diuji dina genep unit flokulasi dumasar kana géométri hélik.ditaksir pangaruh waktu ingetan on flocculants sarta diusulkeun model flocculation nu bisa dipaké salaku alat pikeun ngarojong desain sél rasional jeung low kali ingetan14.Zhan, You15 ngajukeun kombinasi CFD sareng modél kasaimbangan populasi pikeun nyontokeun karakteristik aliran sareng paripolah floc dina flocculation skala pinuh.Llano-Serna, Coral-Portillo16 nalungtik karakteristik aliran tina hydroflocculator tipe Cox dina tutuwuhan perlakuan cai di Viterbo, Colombia.Sanajan CFD boga kaunggulan, aya ogé watesan kayaning kasalahan numerik dina itungan.Ku kituna, sakur hasil numerik anu dimeunangkeun kudu ditalungtik jeung dianalisis kalawan taliti pikeun nyieun kacindekan kritis17.Aya sababaraha studi dina literatur ngeunaan desain flokulator baffle horizontal, sedengkeun saran pikeun desain flokulator hidrodinamik diwatesan18.Chen, Liao19 ngagunakeun setelan ékspérimén dumasar kana paburencay cahaya polarisasi pikeun ngukur kaayaan polarisasi cahaya anu sumebar tina partikel individu.Feng, Zhang20 dipaké Ansys-Fluent mun simulate distribusi arus eddy na swirl dina widang aliran a flocculator plat coagulated sarta flocculator antar-corrugated.Saatos simulating aliran cairan ngagalura dina flocculator maké Ansys-Fluent, Gavi21 dipaké hasil pikeun ngarancang flocculator nu.Vaneli sareng Teixeira22 ngalaporkeun yén hubungan antara dinamika cairan flokulator tabung spiral sareng prosés flokulasi masih kirang kahartos pikeun ngadukung desain rasional.de Oliveira jeung Costa Teixeira23 nalungtik efisiensi tur nunjukkeun sipat hidrodinamika tina flocculator tabung spiral ngaliwatan percobaan fisika jeung simulasi CFD.Loba panalungtik geus diajar reaktor tube coiled atawa flocculators tube coiled.Nanging, inpormasi hidrodinamik lengkep ngeunaan réspon réaktor ieu kana sagala rupa desain sareng kaayaan operasi masih kurang (Sartori, Oliveira24; Oliveira, Teixeira25).Oliveira sareng Teixeira26 nampilkeun hasil asli tina simulasi téoritis, ékspérimén sareng CFD tina flocculator spiral.Oliveira sareng Teixeira27 ngusulkeun ngagunakeun coil spiral salaku réaktor koagulasi-flokulasi dina kombinasi sareng sistem decanter konvensional.Aranjeunna ngalaporkeun yén hasil anu dicandak pikeun efisiensi panyabutan turbidity béda sacara signifikan ti anu dicandak ku model anu biasa dianggo pikeun ngaevaluasi flokulasi, nunjukkeun ati-ati nalika ngagunakeun modél sapertos kitu.Moruzzi jeung de Oliveira [28] dimodelkeun paripolah sistem kamar flocculation kontinyu dina kaayaan operasi rupa-rupa, kaasup variasi dina jumlah kamar dipaké sarta pamakéan gradién laju sél tetep atawa skala.Romphophak, Le Men29 Pangukuran PIV ngeunaan laju sakedapan dina pembersih jet kuasi dua diménsi.Aranjeunna mendakan sirkulasi anu ngainduksi jet anu kuat dina zona flokulasi sareng diperkirakeun tingkat geser lokal sareng sakedapan.
Shah, Joshi30 ngalaporkeun yén CFD nawiskeun alternatif anu pikaresepeun pikeun ningkatkeun desain sareng kéngingkeun karakteristik aliran virtual.Ieu ngabantuan pikeun nyegah setups ékspérimén éksténsif.CFD beuki dipaké pikeun nganalisis cai jeung pabrik pengolahan limbah (Melo, Freire31; Alalm, Nasr32; Bridgeman, Jefferson9; Samaras, Zouboulis33; Wang, Wu34; Zhang, Tejada-Martínez35).Sababaraha penyidik parantos ngalaksanakeun ékspérimén dina alat-alat uji kaleng (Bridgeman, Jefferson36; Bridgeman, Jefferson5; Jarvis, Jefferson6; Wang, Wu34) sareng flocculators disc perforated31.Batur geus dipaké CFD pikeun evaluate hydroflocculators (Bridgeman, Jefferson5; Vadasarukkai, Gagnon37).Ghawi21 ngalaporkeun yén flocculators mékanis merlukeun pangropéa rutin sabab mindeng ngarecah sarta merlukeun loba listrik.
Kinerja flocculator dayung gumantung pisan kana hidrodinamika waduk.Kurangna pamahaman kuantitatif widang laju aliran dina flocculators sapertos jelas nyatet dina literatur (Howe, Hand38; Hendricks39).Sakabéh massa cai tunduk kana gerakan impeller flocculator, jadi slippage diperkirakeun.Ilaharna, laju fluida kirang ti laju sabeulah ku faktor dieunakeun k, nu dihartikeun salaku babandingan laju awak cai jeung laju kabayang ngawelah.Bhole40 ngalaporkeun yén aya tilu faktor anu teu dipikanyaho anu kedah dipertimbangkeun nalika ngarancang flocculator, nyaéta gradién laju, koefisien seret, sareng laju relatif cai relatif ka sabeulah.
Camp41 ngalaporkeun yén nalika tempo mesin speed tinggi, laju kira 24% tina speed rotor sarta saluhur 32% pikeun mesin speed low.Dina henteuna septa, Droste na Ger42 dipaké nilai ak 0,25, sedengkeun dina kasus septa, k ranged ti 0 nepi ka 0,15.Howe, Hand38 nunjukkeun yén k aya dina kisaran 0,2 dugi ka 0,3.Hendrix39 ngahubungkeun faktor slip kana laju rotasi nganggo rumus empiris sareng nyimpulkeun yén faktor slip ogé aya dina kisaran anu ditetepkeun ku Camp41.Bratby43 ngalaporkeun yén k nyaéta ngeunaan 0,2 pikeun speeds impeller ti 1,8 nepi ka 5,4 rpm sarta naek ka 0,35 pikeun speeds impeller ti 0,9 nepi ka 3 rpm.Panaliti séjén ngalaporkeun rupa-rupa nilai koefisien sered (Cd) tina 1.0 dugi ka 1.8 sareng nilai koefisien slip k tina 0.25 dugi ka 0.40 (Feir sareng Geyer44; Hyde sareng Ludwig45; Harris, Kaufman46; van Duuren47; sareng Bratby sareng Marais48. ).Literatur teu némbongkeun kamajuan signifikan dina watesan jeung quantifying k saprak karya Camp41 urang.
Prosés flokulasi dumasar kana turbulensi pikeun ngagampangkeun tabrakan, dimana gradién laju (G) dipaké pikeun ngukur turbulensi/flokulasi.Pergaulan nyaéta prosés gancang jeung merata dispersing bahan kimia dina cai.Darajat pergaulan diukur ku gradién laju:
dimana G = gradién laju (detik-1), P = input kakuatan (W), V = volume cai (m3), μ = viskositas dinamis (Pa s).
Nu leuwih luhur nilai G, beuki dicampur.Pergaulan lengkep penting pikeun mastikeun koagulasi seragam.Literatur nunjukkeun yén parameter desain anu paling penting nyaéta waktos campur (t) sareng gradién laju (G).Prosés flokulasi dumasar kana turbulensi pikeun ngagampangkeun tabrakan, dimana gradién laju (G) dipaké pikeun ngukur turbulensi/flokulasi.Nilai desain has pikeun G nyaéta 20 nepi ka 70 s–1, t nyaéta 15 nepi ka 30 menit, sarta Gt (dimensionless) nyaéta 104 nepi ka 105. Fast mix tank dianggo pangalusna kalawan nilai G tina 700 nepi ka 1000, kalawan waktu tetep ngeunaan 2 menit.
dimana P nyaéta kakuatan anu dipasihkeun ka cairan ku unggal sabeulah flocculator, N nyaéta laju rotasi, b nyaéta panjang sabeulah, ρ nyaéta dénsitas cai, r nyaéta radius, sareng k nyaéta koefisien slip.Persamaan ieu diterapkeun ka unggal sabeulah masing-masing sareng hasilna dijumlahkeun pikeun masihan total input kakuatan flocculator.Ulikan ati tina persamaan ieu nunjukkeun pentingna faktor slip k dina prosés desain flocculator ngawelah.Literatur henteu nyatakeun nilai pasti k, tapi nyarankeun sauntuyan sakumaha anu didadarkeun sateuacana.Sanajan kitu, hubungan antara kakuatan P jeung koefisien slip k nyaéta kubik.Ku kituna, disadiakeun yén sakabéh parameter anu sarua, contona, ngarobah k tina 0,25 ka 0,3 bakal ngakibatkeun panurunan dina kakuatan dikirimkeun ka cairan per agul ku ngeunaan 20%, sarta ngurangan k tina 0,25 ka 0,18 baris ngaronjatkeun dirina.ku ngeunaan 27-30% per vane kakuatan imparted kana cairan.Pamustunganana, pangaruh k dina desain flocculator dayung sustainable perlu ditalungtik ngaliwatan kuantifikasi teknis.
Kuantitas émpiris anu akurat ngeunaan slippage merlukeun visualisasi aliran sareng simulasi.Kituna, hal anu penting pikeun ngajelaskeun laju tangensial tina sabeulah dina cai dina speed rotational tangtu dina jarak radial béda ti aci jeung di bojong béda ti beungeut cai guna evaluate efek posisi sabeulah béda.
Dina ulikan ieu, hidrodinamika flokulasi dievaluasi ku pamariksaan ékspérimén sareng numerik tina médan laju aliran turbulén dina flokulator paddle skala laboratorium.Pangukuran PIV dirékam dina flocculator, nyiptakeun kontur laju rata-rata waktos nunjukkeun laju partikel cai di sabudeureun daun.Sajaba ti éta, ANSYS-Fluent CFD dipaké pikeun simulate aliran swirling jero flocculator jeung nyieun time-averaged velocity contours.Modél CFD anu dihasilkeun dikonfirmasi ku evaluasi susuratan antara hasil PIV sareng CFD.Fokus karya ieu dina quantifying koefisien slip k, nu mangrupakeun parameter desain dimensionless flocculator ngawelah.Karya anu disayogikeun di dieu nyayogikeun dasar énggal pikeun ngitung koefisien slip k dina kecepatan rendah 3 rpm sareng 4 rpm.Implikasi tina hasil langsung nyumbang kana pamahaman hadé tina hidrodinamika tank flocculation.
The flocculator laboratorium diwangun ku hiji kotak rectangular luhur kabuka kalayan jangkungna sakabéh 147 cm, jangkungna 39 cm, lebar sakabéh 118 cm, sarta panjang sakabéh 138 cm (Gbr. 1).Kriteria desain utama anu dikembangkeun ku Camp49 dianggo pikeun ngarancang flokulator paddle skala laboratorium sareng nerapkeun prinsip analisis dimensi.Fasilitas ékspérimén ieu diwangun di Laboratorium Téknik Lingkungan Universitas Amérika Lebanese (Byblos, Libanon).
Sumbu horizontal ayana dina jangkungna 60 cm ti handap sarta accommodates dua roda ngawelah.Unggal kabayang ngawelah diwangun ku 4 ngawelah kalawan 3 ngawelah dina unggal ngawelah jumlahna aya 12 ngawelah.Flocculation merlukeun agitation hipu dina speed low 2 nepi ka 6 rpm.Kacepetan campuran anu paling umum dina flokulator nyaéta 3 rpm sareng 4 rpm.Aliran flocculator skala laboratorium dirancang pikeun ngagambarkeun aliran dina kompartemen tank flocculation tina tutuwuhan perlakuan cai nginum.Daya diitung ngagunakeun persamaan tradisional 42 .Pikeun duanana laju rotasi, gradién laju \(\stackrel{\mathrm{-}}{\text{G}}\) leuwih badag batan 10 \({\text{sec}}^{-{1}}\) , angka Reynolds nunjukkeun aliran ngagalura (Table 1).
PIV dipaké pikeun ngahontal pangukuran akurat jeung kuantitatif vektor laju cairan sakaligus dina jumlah nu kacida gedéna titik50.Setélan ékspérimén kalebet flokulator paddle skala lab, sistem LaVision PIV (2017), sareng pemicu sénsor laser éksternal Arduino.Pikeun nyieun profil laju rata-rata waktos, gambar PIV dirékam sacara berurutan di lokasi anu sami.Sistem PIV dikalibrasi ku kituna wewengkon targétna aya dina titik tengah panjang unggal tilu bilah panangan ngawelah nu tangtu.Pemicu éksternal diwangun ku hiji laser lokasina di hiji sisi lebar flocculator sarta panarima sensor dina sisi séjén.Unggal waktos panangan flocculator ngahalangan jalur laser, sinyal dikirim ka sistem PIV pikeun moto gambar nganggo laser PIV sareng kaméra anu disingkronkeun sareng unit timing anu tiasa diprogram.Dina Gbr.2 nunjukkeun pamasangan sistem PIV sareng prosés akuisisi gambar.
Rekaman PIV dimimitian saatos flocculator dioperasikeun salami 5-10 mnt pikeun normalisasi aliran sareng tumut kana widang indéks réfraktif anu sami.Calibration kahontal ku ngagunakeun plat calibration immersed dina flocculator jeung ditempatkeun di midpoint tina panjang sabeulah dipikaresep.Saluyukeun posisi laser PIV pikeun ngabentuk lambaran lampu datar langsung luhureun piring calibration.Catet nilai-nilai anu diukur pikeun unggal laju rotasi unggal sabeulah, sareng laju rotasi anu dipilih pikeun percobaan nyaéta 3 rpm sareng 4 rpm.
Pikeun sakabéh rekaman PIV, interval waktu antara dua pulsa laser diatur dina rentang ti 6900 nepi ka 7700 µs, nu ngidinan kapindahan partikel minimum 5 piksel.Uji pilot dilaksanakeun dina jumlah gambar anu diperyogikeun pikeun nyandak pangukuran rata-rata waktos anu akurat.Statistik véktor dibandingkeun pikeun conto anu ngandung 40, 50, 60, 80, 100, 120, 160, 200, 240, sareng 280 gambar.Hiji ukuran sampel 240 gambar kapanggih méré hasil rata-waktu stabil nunjukkeun yen tiap gambar diwangun ku dua pigura.
Kusabab aliran dina flocculator ngagalura, jandela interogasi leutik sareng sajumlah ageung partikel diperyogikeun pikeun ngabéréskeun struktur ngagalura leutik.Sababaraha iterasi pangurangan ukuran diterapkeun sareng algoritma korélasi silang pikeun mastikeun akurasi.Ukuran jandela polling awal 48 × 48 piksel kalayan tumpang tindihna 50% sareng hiji prosés adaptasi dituturkeun ku ukuran jandela polling ahir 32 × 32 piksel kalayan tumpang tindihna 100% sareng dua prosés adaptasi.Sajaba ti éta, kaca spheres kerung dipaké salaku partikel cikal dina aliran, nu diwenangkeun sahenteuna 10 partikel per jandela polling.Rekaman PIV dipicu ku sumber pemicu dina Unit Timing Programmable (PTU), anu tanggung jawab pikeun operasi sareng nyingkronkeun sumber laser sareng kaméra.
Paket CFD komérsial ANSYS Fluent v 19.1 dipaké pikeun ngembangkeun model 3D jeung ngajawab persamaan aliran dasar.
Ngagunakeun ANSYS-Fluent, model 3D flocculator dayung skala laboratorium dijieun.Model dijieun dina bentuk kotak rectangular, diwangun ku dua roda dayung dipasang dina sumbu horizontal, kawas model laboratorium.Model tanpa freeboard jangkungna 108 cm, rubak 118 cm sareng panjang 138 cm.A pesawat cylindrical horizontal geus ditambahkeun sabudeureun mixer nu.generasi pesawat cylindrical kedah ngalaksanakeun rotasi sakabéh mixer salila fase instalasi tur simulate widang aliran puteran jero flocculator nu, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 3a.
3D ANSYS-béntés jeung modél diagram géométri, ANSYS-fasih flocculator awak bolong dina pesawat dipikaresep, ANSYS-diagram béntés dina pesawat dipikaresep.
Model géométri diwangun ku dua wewengkon, nu masing-masing mangrupakeun cairan.Ieu kahontal ngagunakeun fungsi pangurangan logis.Mimitina cabut silinder (kaasup mixer) tina kotak pikeun ngagambarkeun cairanana.Teras cabut mixer tina silinder, hasilna dua objék: mixer sareng cair.Tungtungna, panganteur ngageser ieu dilarapkeun antara dua wewengkon: a panganteur silinder-silinder sarta panganteur silinder-mixer (Gbr. 3a).
The meshing tina model diwangun geus réngsé pikeun minuhan sarat tina model turbulensi anu bakal dipaké pikeun ngajalankeun simulasi numeris.Bolong anu henteu terstruktur sareng lapisan anu dilegaan caket permukaan padet dianggo.Jieun lapisan ékspansi pikeun sakabéh témbok kalawan laju tumuwuh 1,2 pikeun mastikeun yén pola aliran kompléks direbut, kalayan ketebalan lapisan kahiji \(7\mathrm{ x }{10}^{-4}\) m pikeun mastikeun yén \ ( {\text {y))^{+}\le 1.0\).Ukuran awak disaluyukeun nganggo metode pas tetrahedron.Ukuran sisi hareup dua interfaces kalayan ukuran unsur 2,5 × \({10}^{-3}\) m dijieun, sarta mixer ukuran hareup 9 × \({10}^{-3}\ ) m diterapkeun.Bolong dihasilkeun awal diwangun ku 2144409 elemen (Gbr. 3b).
Modél turbulensi k–ε dua-paraméter dipilih salaku modél dasar awal.Pikeun akurat simulate aliran swirling jero flocculator nu, model leuwih komputasi mahal dipilih.Aliran swirling turbulén di jero flokulator ditalungtik sacara numerik ngagunakeun dua modél CFD: SST k–ω51 jeung IDDES52.Hasil tina duanana modél dibandingkeun sareng hasil PIV ékspérimén pikeun ngavalidasi modél.Kahiji, modél turbulensi k-ω SST nyaéta modél viskositas turbulén dua persamaan pikeun aplikasi dinamika cairan.Ieu model hibrida ngagabungkeun model Wilcox k-ω jeung k-ε.Fungsi mixing ngaktifkeun modél Wilcox deukeut témbok jeung modél k-ε dina aliran datang.Ieu ensures yén modél bener dipaké sapanjang widang aliran.Ieu akurat prediksi separation aliran alatan gradién tekanan ngarugikeun.Bréh, métode Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), loba dipaké dina modél Individual Eddy Simulation (DES) jeung modél SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), dipilih.IDDES mangrupikeun modél hibrid RANS-LES (simulasi eddy ageung) anu nyayogikeun modél simulasi skala résolusi (SRS) anu langkung fleksibel sareng ramah-pamaké.Hal ieu dumasar kana model LES pikeun ngabéréskeun eddies badag sarta reverts ka SST k-ω pikeun simulate eddies skala leutik.Analisis statistik tina hasil tina simulasi SST k–ω sareng IDDES dibandingkeun sareng hasil PIV pikeun ngesahkeun modél.
Modél turbulensi k–ε dua-paraméter dipilih salaku modél dasar awal.Pikeun akurat simulate aliran swirling jero flocculator nu, model leuwih komputasi mahal dipilih.Aliran swirling turbulén di jero flokulator ditalungtik sacara numerik ngagunakeun dua modél CFD: SST k–ω51 jeung IDDES52.Hasil tina duanana modél dibandingkeun sareng hasil PIV ékspérimén pikeun ngavalidasi modél.Kahiji, modél turbulensi k-ω SST nyaéta modél viskositas turbulén dua persamaan pikeun aplikasi dinamika cairan.Ieu model hibrida ngagabungkeun model Wilcox k-ω jeung k-ε.Fungsi mixing ngaktifkeun modél Wilcox deukeut témbok jeung modél k-ε dina aliran datang.Ieu ensures yén modél bener dipaké sapanjang widang aliran.Ieu akurat prediksi separation aliran alatan gradién tekanan ngarugikeun.Bréh, métode Advanced Deferred Eddy Simulation (IDDES), loba dipaké dina modél Individual Eddy Simulation (DES) jeung modél SST k-ω RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes), dipilih.IDDES mangrupikeun modél hibrid RANS-LES (simulasi eddy ageung) anu nyayogikeun modél simulasi skala résolusi (SRS) anu langkung fleksibel sareng ramah-pamaké.Hal ieu dumasar kana model LES pikeun ngabéréskeun eddies badag sarta reverts ka SST k-ω pikeun simulate eddies skala leutik.Analisis statistik tina hasil tina simulasi SST k–ω sareng IDDES dibandingkeun sareng hasil PIV pikeun ngesahkeun modél.
Anggo solver sementara dumasar-tekanan sareng nganggo gravitasi dina arah Y.Rotasi kahontal ku assigning gerak bolong ka mixer, dimana asal sumbu rotasi aya di puseur sumbu horizontal sarta arah sumbu rotasi dina arah Z.A panganteur bolong dijieun pikeun duanana interfaces géométri modél, hasilna dua edges kotak wates.Sapertos dina téknik ékspérimén, laju rotasi pakait sareng 3 sareng 4 révolusi.
Kaayaan wates pikeun témbok mixer sareng flocculator diatur ku témbok, sareng bukaan luhur flocculator diatur ku outlet kalayan tekanan enol gauge (Gbr. 3c).Skéma komunikasi tekanan-laju basajan, discretization tina spasi gradién fungsi urutan kadua kalayan sagala parameter dumasar kana elemen kuadrat sahenteuna.Kriteria konvergénsi pikeun sakabéh variabel aliran nyaéta sésa skala 1 x \({10}^{-3}\).Jumlah maksimum iterations per hambalan waktos nyaeta 20, sarta ukuran hambalan waktos pakait jeung rotasi 0,5 °.Solusina konvergen dina iterasi ka-8 pikeun modél SST k–ω sareng dina iterasi ka-12 ngagunakeun IDDES.Salaku tambahan, jumlah léngkah waktos diitung supados mixer ngadamel sahenteuna 12 révolusi.Larapkeun sampling data pikeun statistik waktos saatos 3 rotasi, anu ngamungkinkeun normalisasi aliran, sami sareng prosedur ékspérimén.Ngabandingkeun kaluaran tina puteran speed pikeun tiap revolusi méré hasil persis sarua pikeun opat révolusi panungtungan, nunjukkeun yén kaayaan ajeg geus ngahontal.Revs tambahan teu ningkatkeun kontur speed sedeng.
Lengkah waktu dihartikeun dina hubungan jeung laju rotasi, 3 rpm atawa 4 rpm.Léngkah waktos disampurnakeun kana waktos anu diperyogikeun pikeun muterkeun mixer ku 0,5 °.Ieu tétéla cukup, sabab solusi gampang converges, sakumaha dijelaskeun dina bagian saméméhna.Ku kituna, sadaya itungan numerik pikeun duanana model turbulensi dilaksanakeun maké hambalan waktos dirobah 0,02 \(\stackrel{\mathrm{-}}{7}\) pikeun 3 rpm, 0,0208 \(\stackrel{ \mathrm{-} {3}\) 4 rpm.Pikeun léngkah waktos perbaikan anu dipasihkeun, jumlah Courant sél sok kirang ti 1.0.
Pikeun ngajalajah gumantungna modél-bolong, hasil munggaran dicandak nganggo bolong 2.14M asli teras bolong 2.88M anu disampurnakeun.Perbaikan grid kahontal ku cara ngurangan ukuran sél awak mixer tina 9 × \({10}^{-3}\) m kana 7 × \({10}^{-3}\) m.Pikeun meshes aslina tur refined tina dua model turbulensi, nilai rata-rata modul laju di tempat béda sabudeureun sabeulah ieu dibandingkeun.Persentase bédana antara hasil nyaéta 1,73% pikeun modél SST k–ω sareng 3,51% pikeun modél IDDES.IDDES nunjukkeun bédana persentase anu langkung luhur kusabab éta modél hibrid RANS-LES.Bedana ieu dianggap teu signifikan, jadi simulasi ieu dipigawé ngagunakeun bolong aslina kalawan 2,14 juta elemen sarta hambalan waktos rotasi 0,5 °.
Reproducibility hasil ékspérimén ditalungtik ku ngalaksanakeun unggal genep percobaan kadua kalina sareng ngabandingkeun hasilna.Bandingkeun nilai laju di tengah sabeulah dina dua séri percobaan.Rata-rata persentase bédana antara dua kelompok ékspérimén éta 3,1%.Sistem PIV ogé dicalibrasi deui sacara mandiri pikeun unggal percobaan.Bandingkeun laju anu diitung sacara analitik di tengah unggal sabeulah sareng laju PIV di lokasi anu sami.Perbandingan ieu nunjukkeun bédana kalayan persentase kasalahan maksimum 6,5% pikeun sabeulah 1.
Sateuacan ngitung faktor dieunakeun, perlu sacara ilmiah ngartos konsép slip dina flocculator paddle, anu peryogi diajar struktur aliran sabudeureun paddles of flocculator.Conceptually, koefisien slip diwangun kana desain flocculators ngawelah tumut kana akun laju wilah relatif ka cai.Literatur nyarankeun yén speed ieu 75% tina speed sabeulah, jadi paling desain ilaharna ngagunakeun ak 0,25 pikeun akun adjustment ieu.Ieu merlukeun pamakéan streamlines laju diturunkeun tina percobaan PIV pikeun pinuh ngartos widang laju aliran sarta diajar slip ieu.sabeulah 1 nyaeta sabeulah pangjerona pangdeukeutna ka aci, sabeulah 3 nyaeta sabeulah pangluarna, sarta sabeulah 2 nyaeta agul tengah.
Laju streamlines on agul 1 nembongkeun aliran puteran langsung sabudeureun agul teh.pola aliran ieu emanate ti titik di sisi katuhu sabeulah, antara rotor jeung sabeulah.Ningali wewengkon nu dituduhkeun ku kotak dotted beureum dina Gambar 4a, éta metot pikeun ngaidentipikasi aspék séjén tina aliran recirculation luhur jeung sabudeureun sabeulah.Visualisasi aliran nembongkeun saeutik aliran kana zone recirculation.Aliran ieu ngadeukeutan ti sisi katuhu sabeulah dina jangkungna kira-kira 6 cm ti tungtung sabeulah, jigana alatan pangaruh sabeulah kahiji leungeun saméméh sabeulah, nu katingali dina gambar.Visualisasi aliran dina 4 rpm nembongkeun paripolah jeung struktur anu sarua, tétéla kalawan speeds luhur.
Widang laju sareng grafik ayeuna tina tilu wilah dina dua kecepatan rotasi 3 rpm sareng 4 rpm.Laju rata-rata maksimum tilu wilah dina 3 rpm nyaéta 0,15 m/s, 0,20 m/s jeung 0,16 m/s masing-masing, jeung laju rata-rata maksimum dina 4 rpm nyaéta 0,15 m/s, 0,22 m/s jeung 0,22 m/ s, masing-masing.dina tilu lambar.
Bentuk sejen tina aliran hélik kapanggih antara vanes 1 jeung 2. Widang vektor jelas nunjukeun yen aliran cai ngalir ka luhur ti handap vane 2, sakumaha dituduhkeun ku arah vektor.Ditémbongkeun saperti ku kotak dotted dina Gbr. 4b, vektor ieu teu balik vertikal ka luhur ti beungeut sabeulah, tapi ngahurungkeun ka katuhu jeung laun turun.Dina beungeut sabeulah 1, vektor handap dibédakeun, nu ngadeukeutan duanana wilah jeung ngurilingan aranjeunna tina aliran recirculation kabentuk antara aranjeunna.Struktur aliran sarua ditangtukeun dina duanana speeds rotasi kalayan amplitudo speed luhur 4 rpm.
Widang laju sabeulah 3 teu nyieun kontribusi signifikan ti véktor laju sabeulah saméméhna ngagabung aliran handap sabeulah 3. Aliran utama handapeun sabeulah 3 disababkeun ku véktor laju vertikal naek jeung cai.
Vektor laju leuwih beungeut sabeulah 3 bisa dibagi kana tilu golongan, ditémbongkeun saperti dina Gbr. 4c.Set kahiji nyaéta hiji di sisi katuhu sabeulah.Struktur aliran dina posisi ieu lempeng ka katuhu jeung ka luhur (ie arah sabeulah 2).Kelompok kadua nyaéta tengah sabeulah.Vektor laju pikeun posisi ieu diarahkeun lempeng ka luhur, tanpa simpangan jeung tanpa rotasi.Panurunan dina nilai laju ditangtukeun ku paningkatan dina jangkungna luhureun tungtung sabeulah.Pikeun grup katilu, ayana dina periphery kénca wilah, aliran langsung diarahkeun ka kénca, nyaéta kana témbok flocculator nu.Kalolobaan aliran digambarkeun ku véktor laju naek, sarta bagian tina aliran mana horisontal handap.
Dua model turbulensi, SST k–ω jeung IDDES, dipaké pikeun ngawangun propil laju rata-rata waktu pikeun 3 rpm jeung 4 rpm dina pesawat panjang rata-rata sabeulah.Ditémbongkeun saperti dina Gambar 5, kaayaan ajeg kahontal ku ngahontal kamiripan mutlak antara kontur laju dijieun ku opat rotations saterusna.Salaku tambahan, kontur laju rata-rata waktos anu dihasilkeun ku IDDES dipidangkeun dina Gbr. 6a, sedengkeun propil laju rata-rata waktos anu dihasilkeun ku SST k - ω dipidangkeun dina Gbr. 6a.6b.
Ngagunakeun IDDES sareng puteran laju rata-rata waktos anu dihasilkeun ku SST k–ω, IDDES gaduh proporsi puteran laju anu langkung luhur.
Taliti nalungtik profil speed dijieun kalawan IDDES dina 3 rpm ditémbongkeun saperti dina Gambar 7. mixer rotates jarum jam jeung aliran dibahas nurutkeun catetan ditémbongkeun.
Dina Gbr.7 eta bisa ditempo yén dina beungeut sabeulah 3 dina kuadran I aya separation aliran, saprak aliran teu konstrain alatan ayana liang luhur.Dina kuadran II euweuh separation tina aliran ieu observasi, saprak aliran sagemblengna kawates ku dinding flocculator nu.Dina kuadran III, cai muter dina laju anu langkung handap atanapi langkung handap tibatan kuadran sateuacana.Cai dina kuadran I jeung II dipindahkeun (ie diputer atawa kadorong kaluar) ka handap ku aksi mixer nu.Sareng dina kuadran III, cai didorong kaluar ku bilah agitator.Éta atra yén massa cai di tempat ieu nolak leungeun baju flocculator approaching.Aliran puteran dina kuadran ieu sagemblengna dipisahkeun.Pikeun kuadran IV, lolobana aliran hawa di luhur vane 3 diarahkeun ka témbok flocculator sarta laun leungit ukuranana salaku jangkungna naek ka bukaan luhur.
Sajaba ti éta, lokasi sentral ngawengku pola aliran kompléks nu ngadominasi kuadran III jeung IV, sakumaha ditémbongkeun ku elips dotted biru.Wewengkon anu ditandaan ieu teu aya hubunganana sareng aliran swirling dina flocculator ngawelah, sabab gerak swirling tiasa diidentifikasi.Ieu kontras sareng kuadran I sareng II dimana aya pamisahan anu jelas antara aliran internal sareng aliran rotasi pinuh.
Ditémbongkeun saperti dina Gbr.6, ngabandingkeun hasil IDDES sareng SST k-ω, bédana utama antara kontur laju nyaéta gedéna laju langsung handap sabeulah 3. Model SST k-ω jelas nunjukkeun yén aliran laju anu diperpanjang dibawa ku sabeulah 3. dibandingkeun jeung IDDES.
bédana séjén bisa kapanggih dina kuadran III.Ti IDDES, sakumaha disebutkeun tadi, separation aliran rotational antara leungeun flocculator ieu nyatet.Sanajan kitu, posisi ieu kuat kapangaruhan ku aliran laju low ti juru jeung interior sabeulah munggaran.Ti SST k–ω pikeun lokasi nu sarua, garis kontur némbongkeun laju nu kawilang luhur dibandingkeun jeung IDDES sabab teu aya aliran konfluen ti wewengkon séjén.
Pamahaman kualitatif ngeunaan médan vektor laju sareng streamlines diperyogikeun pikeun pamahaman anu leres ngeunaan paripolah sareng struktur aliran.Nunjukkeun yen unggal sabeulah téh 5 cm lega, tujuh titik laju dipilih sakuliah rubak nyadiakeun profil laju wawakil.Sajaba ti éta, pamahaman kuantitatif ngeunaan gedena laju salaku fungsi tina jangkungna luhureun beungeut sabeulah diperlukeun ku plotting profil laju langsung ngaliwatan unggal beungeut sabeulah sarta leuwih jarak kontinyu 2,5 cm vertikal nepi ka jangkungna 10 cm.Tempo S1, S2 jeung S3 dina gambar pikeun émbaran leuwih lengkep.Appendix A. Gambar 8 nembongkeun kasaruaan distribusi laju permukaan unggal sabeulah (Y = 0,0) diala ngagunakeun percobaan PIV jeung analisis ANSYS-Fluent ngagunakeun IDDES na SST k-ω.Duanana model numeris ngamungkinkeun pikeun akurat simulate struktur aliran dina beungeut wilah flocculator.
Sebaran laju PIV, IDDES sareng SST k–ω dina permukaan sabeulah.Sumbu-x ngagambarkeun rubak unggal lambar dina milimeter, kalayan asal (0 mm) ngalambangkeun periphery kénca lambar jeung tungtung (50 mm) ngagambarkeun periphery katuhu lambar.
Ieu jelas katempo yen sebaran speed wilah 2 jeung 3 ditémbongkeun dina Gbr.8 na Gbr.8.S2 jeung S3 dina Appendix A nembongkeun tren sarupa kalawan jangkungna, bari sabeulah 1 robah mandiri.Propil laju wilah 2 sareng 3 janten lempeng sampurna sareng gaduh amplitudo anu sami dina jangkungna 10 cm ti tungtung sabeulah.Ieu ngandung harti yén aliran janten seragam dina titik ieu.Ieu jelas katempo tina hasil PIV, nu ogé dihasilkeun ku IDDES.Samentara éta, hasil SST k–ω némbongkeun sababaraha béda, utamana dina 4 rpm.
Kadé dicatet yén sabeulah 1 nahan bentuk sarua tina profil laju dina sakabéh posisi na teu dinormalisasi dina jangkungna, saprak swirl kabentuk di puseur mixer ngandung sabeulah mimiti sakabeh leungeun.Ogé, dibandingkeun sareng IDDES, profil laju agul PIV 2 sareng 3 nunjukkeun nilai laju anu rada luhur di kalolobaan lokasi dugi ka ampir sami sareng 10 cm di luhur permukaan agul.
waktos pos: Dec-27-2022